WO2008110445A1 - Diffuser arrangement - Google Patents

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WO2008110445A1
WO2008110445A1 PCT/EP2008/052222 EP2008052222W WO2008110445A1 WO 2008110445 A1 WO2008110445 A1 WO 2008110445A1 EP 2008052222 W EP2008052222 W EP 2008052222W WO 2008110445 A1 WO2008110445 A1 WO 2008110445A1
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diffuser
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cross
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PCT/EP2008/052222
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Sascha Becker
Marc Bröker
Ralf Hoffacker
Mario Koebe
Stefan MÄHLMANN
Ulrich Stanka
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • F05D2250/32Arrangement of components according to their shape
    • F05D2250/323Arrangement of components according to their shape convergent

Definitions

  • the invention relates to a diffuser arrangement and more particularly to an exhaust steam room of a steam turbine or an exhaust gas space of a gas turbine with the diffuser arrangement.
  • a diffuser is a fluid-permeable channel which delays the fluid in a transfer-free flow through cross-sectional widening and according to Bernoulli's theorem reduces the kinetic pressure of the fluid in favor of the static pressure.
  • the quality of the diffuser is described by the pressure recovery coefficient associated with
  • FIG. 4 shows a longitudinal section of an axially symmetrical diffuser 101 and schematically illustrates the flow typically occurring therein.
  • the diffuser 101 has an inlet cross section 102 and an outlet cross section 103, whose area ratio is greater than one. Upstream of the diffuser 101, a cylindrical inflow pipe is arranged, through which an inflow 108 flows, and downstream of the diffuser 101 a cylindrical outflow pipe is arranged, through which an outflow 109 flows.
  • the flow velocity of the near-wall flow decreases. After overcoming a certain flow path, the gradient of the flow velocity across and against the diffuser wall is zero. This location is a separation point 105 of the flow shown in the boundary layer profile 113.
  • the flow moves away from the diffuser wall toward the center of the diffuser 101, forming a return flow downstream of the separation point 105 near the wall forming a detachment bladder 106.
  • the detachment bladder 106 causes a constriction of the effective cross-section of the diffuser 101, so that the main flow in the region of the detachment bladder 106 is accelerated. As a result, the kinetic energy increases in the main flow and the flow settles in the outlet pipe at a restart point 107 again.
  • the degree of opening of the diffuser 101 shown in FIG. 4 decisively determines the shape and size of the peel-off bladder 106 and the location of the detachment point 105 and the optionally occurring reapplication point 107. The higher the degree of opening of the diffuser 101, the further upstream the detachment point 105 is.
  • the peel bladder 106 reduces the pressure recovery effect of the diffuser 101 compared to a diffuser in which the flow is fully applied.
  • Diffuser sheet coated leaves are connected blade-tip side by a ring.
  • a ring of vanes is arranged such that it widens the stream of air flowing from the blade wheel while maintaining the edge flow guided by the diffuser plate.
  • this is achieved in particular by the fact that the ring has a corresponding cross-sectional shape, which also favors the course of the entrained stream threads and blows them out at a higher speed.
  • a pipe arranged parallel to the diffuser wall is known, which extends along the flow direction. Due to the diverging cross section of the diffuser and the parallel, correspondingly diverging tube, the flow cross-section of the annular channel formed between the diffuser wall and the tube increases, so that the medium flowing in the annular channel is delayed.
  • a steam turbine or a gas turbine is driven at partial, basic and overload.
  • its individual components can be For example, be optimized in terms of efficiency or aerodynamic or thermodynamic efficiency optimized only in a single operating point geometrically. As a result, in other operating points that are not identical to the design operating point, the components can not operate optimally.
  • This situation also applies to an exhaust steam room of the steam turbine or an exhaust space of the gas turbine.
  • the exhaust steam space or the exhaust gas space is conventionally designed as an axial diffuser.
  • the axial diffuser is optimally designed geometrically with regard to the base load so that the axial diffuser can not be optimally operated with partial and overload.
  • the mass flow of the flow flowing through the axial diffuser is smaller in the partial load range than in the base load range, as a result of which the mean flow velocity in the axial diffuser is higher in the base load range than in the partial load range.
  • the flow in the axial diffuser in the partial load range is more prone to detachment than the flow which occurs at the base load in the axial diffuser.
  • a remedy here could be to reduce the opening degree of the axial diffuser, as this slows down the flow less and thus tends less to detach. However, this lengthens the overall length of the axial diffuser, which adversely increases the overall length of the steam turbine or gas turbine.
  • the object of the invention is to provide a diffuser arrangement whose pressure recovery is high and whose overall length is small.
  • Fluid can flow through the diffuser arrangement according to the invention and has an outer diffuser having an inner surface and a flow acceleration device which is set up in such a way that at least part of the boundary layer flow forming on the inner surface of the outer diffuser can be accelerated in the main flow direction, so that a flow separation at the Inner surface of the outer diffuser is prevented.
  • the fluid flows through the outer diffuser, it is delayed in the main flow direction, whereby the boundary layer flow which forms on the inner surface of the outer diffuser tends in principle to detach.
  • the detachment would come from a place where the kinetic energy of the flow is zero.
  • the flow acceleration device By means of the flow acceleration device according to the invention, at least part of the wall-near flow is accelerated, so that the kinetic energy of the wall-near flow is increased. Thereby, it is prevented that the kinetic energy of the near-wall flow is zero at any location, whereby a flow separation is prevented on the inner surface of the outer diffuser.
  • the diffuser assembly has a high pressure recovery.
  • the outer diffuser of the diffuser assembly may have a large degree of opening without flow separation occurring therein. As a result, the outer diffuser and thus the diffuser arrangement has a smaller overall length.
  • the flow acceleration device has a flow guide which extends inside the outer diffuser and with its outer surface facing the inner surface of the outer diffuser and a section of the inner surface of the outer diffuser forms a nozzle channel through which the part of the boundary layer flow can flow.
  • the flow accelerating means is constituted by the nozzle passage defined by the flow guide in cooperation with the inner wall of the outer diffuser. It is thereby achieved that immediately adjacent to the inner surface of the outer diffuser the wall-near flow, i. just the flow rate with otherwise low kinetic energy, is accelerated. This effectively prevents separation in the diffuser arrangement.
  • the flow guiding device with its inner surface facing away from the outer surface, form an inner diffuser, through which the fluid flow can be flowed and thereby retarded in the main flow direction.
  • the flow guiding device in addition to the nozzle effect in the outer region, also has a diffuser effect in the inner region, so that the flow through the diffuser arrangement is greatly delayed. This ensures that the pressure recovery of the diffuser assembly according to the invention is high.
  • the extent of the flow guide in the main flow direction is in the range of 5% to 40% of the extent in the main flow direction of the outer end fender.
  • the flow-guiding device is arranged completely within the outer diffuser and can be placed exactly at that region on the inner wall of the outer diffuser, at which a detachment of the fluid flow is to be expected.
  • the flow-directing device can be arranged in a targeted manner to a detachment-prone area, whereby an effective prevention of flow separation is achieved and yet the disturbance of the main flow through the flow-guiding device is low.
  • the outer diffuser and the flow guide are formed axially symmetrical and are arranged concentrically about a common axis of symmetry.
  • the nozzle channel is formed as an annular channel.
  • the diffuser assembly advantageously results as an array of multiple diffusers and a nozzle.
  • This arrangement is formed by a series connection of the three diffusers, namely the area of the outer diffuser upstream of the flow guide, the inner diffuser of the flow guide and the area of the outer diffuser downstream of the flow guide, and a parallel connection of the nozzle channel with the inner diffuser of the flow guide.
  • the flow guide is designed as a straight baffle.
  • the guide plate is advantageously producible at low cost.
  • the flow guide is aerodynamically profiled. As a result, the flow guide has a low flow resistance.
  • the flow-guiding device is arranged in the range from 80% to 100% of the channel height (radius) of the outer diffuser.
  • the flow-guiding device is advantageously effective in the near-wall flow and thereby placed aerodynamically effective.
  • the flow-guiding device is preferably arranged in the region of the inlet cross-section of the outer diffuser.
  • the inlet flow into the outer diffuser of the flow guiding device to already have an accelerated flow in the boundary layer region, which thus does not tend to detach in the course along the inner surface of the outer diffuser.
  • the flow-guiding device is mounted pivotably relative to the main flow.
  • An exhaust steam space of a steam turbine or an exhaust space of a gas turbine preferably has the diffuser arrangement according to the invention.
  • the flow acceleration device is arranged on the inner surface of the outer diffuser in the region of its inlet.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of the diffuser arrangement
  • Fig. 3 is a longitudinal section through a third embodiment of the diffuser assembly
  • FIG. 4 shows a longitudinal section of a diffuser with a schematic representation of the flow conditions.
  • a diffuser arrangement 1 has an outer diffuser 2, which is designed to be rotationally symmetrical about its axis of symmetry 3.
  • an inlet cross-section 4 of the outer diffuser 2 In a plane perpendicular to the axis of symmetry 3 is an inlet cross-section 4 of the outer diffuser 2, through which an inflow 5 flows into the outer diffuser 2, and in another plane perpendicular to the symmetry axis 3 of the outer diffuser 2 is its outlet cross-section 6, from which an outflow 7 from the
  • the outer diffuser 2 is designed as a straight diffuser, i. the inner surface 8 of the outer diffuser 2 forms a truncated cone, the cross-sectional area at the inlet cross-section 4 being smaller than the cross-sectional area at the outlet cross-section 6.
  • the flow guide 9 is formed as an elongated in longitudinal section guide plate, which is rotationally symmetrical about the axis of symmetry of the 3 Exterior diffuser 2 arranged concentric with the
  • Outer diffuser 2 limits a frusto-conical annular channel, which tapers in the flow direction.
  • the flow guide 9 has on its outer periphery an outer surface 10 which is inclined relative to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 such that the annular space cross-section in a plane perpendicular to the symmetry axis 3, which is formed between the flow guide 9 and the outer diffuser 2, in the flow direction downsized.
  • the outer surface 10 of the flow guide 9 cooperates with an opposite portion of the inner surface 8 of the outer diffuser 8 such that the annular channel which lies between the flow guide 9 and the outer diffuser 2, a nozzle channel 11 is formed.
  • the portion of the inner surface 8 of the outer diffuser 2, which faces the outer surface 10 of the flow guiding device 9, is an inner surface 12 of the nozzle channel 11.
  • the flow guide 9 Upstream, the flow guide 9 is bounded by its front edge 13 and downstream of its trailing edge 14. In the region of the front edge 13 of the flow guide 9 to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is an inlet cross section 15 of the nozzle channel 11 and in the region of the trailing edge 14 of the flow guide 9 to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is the outlet cross section 16 of the nozzle channel 11, wherein the cross-sectional area of the inlet cross-section 15 is greater than the cross-sectional area of the outlet cross-section 16.
  • the front edge 13 of the flow guide 9 is arranged in a plane perpendicular to the symmetry axis 3 and forms an inlet cross section 19 of the inner diffuser 18 and the trailing edge 14 of the flow Conducting device 9 is arranged in a plane perpendicular to the symmetry axis 3 and forms an outlet cross section 20 of the inner diffuser 18, wherein the inlet cross section 19 is smaller than the outlet cross section 20.
  • the aerodynamic efficiency of the flow guide 9 can be seen.
  • the flow guide 9 is formed as a profiled annular guide plate.
  • FIG. 2 shows flow lines 21 in the region of the flow-guiding device 9 and a velocity profile 22 upstream of the flow-guiding device 9, a velocity profile 23 at the trailing edge 14 of the flow-guiding device 9 and a velocity profile 24 downstream of the flow-guiding device 9 shown.
  • the streamlines 21 have a convergent course in the main flow direction, as a result of which the flow acceleration caused by the flow-guiding device 9 is indicated.
  • the wall normal velocity gradient on the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is flatter at the velocity profile upstream of the flow guide 9 than at the velocity profile 23 at the trailing edge 14 of the flow guide 9, which is shallower than the wall normal velocity gradient of the velocity profile 24 downstream of the flow device 9.
  • the flow which is conducted by the flow-guiding device 9 through the nozzle channel 11 is accelerated (energized).
  • the flow guide 9 locally increases the velocity of the flow in the vicinity of the inner surface 12 of the outer diffuser 2.
  • high-energy flow material from the core flow is directed toward the inner surface 12 of the outer diffuser 2 and thus the boundary layer on the inner surface 12 of the outer diffuser 2 supplied.
  • this energy tion can overcome the boundary layer on the inner surface 12 of the outer diffuser 2 larger positive pressure gradient in the main flow direction without detaching from the inner surface 12 of the outer diffuser 2.
  • the outer diffuser 2 reacts more benignly against premature detachment.
  • a high pressure recovery of the outer diffuser 2 is achieved.
  • FIG. 3 shows an exhaust gas space of a gas turbine, which is designed as the outer diffuser 2.
  • the outer diffuser 2 is arranged downstream of a turbine rotor 25 and continues the outflow emerging from the turbine rotor 25 from the inlet cross section 4 of the outer diffuser 2 to the outlet cross section 6 of the outer diffuser 2 under pressure recovery.
  • the turbine rotor 25 has a turbine rotor hub 26, which is continued by a cylindricalfactendiffusornabe 27 with the turbine rotor hub 26.
  • the turbine rotor 25 has a multiplicity of turbine rotor blades 28 which have a blade tip 29 at their radial outer ends.
  • the turbine rotor 25 is surrounded by a turbine housing 30.
  • the turbine rotor 25 rotates about its axis of rotation (not shown) while the turbine housing 30 remains stationary. Therefore, a gap 31 is provided between the turbine rotor blade tip 29 and the turbine housing 30 so that the turbine rotor blade tip 29 does not touch the turbine housing 30 during operation of the turbine rotor 25.

Abstract

The invention relates to a diffuser arrangement (1) through which a fluid can flow, having an outer diffuser (2) comprising an inner surface, and a flow acceleration device (9), which is configured such that at least part of the boundary layer flow forming on the inner surface of the outer diffuser (8) can be accelerated in the main flow direction, so that a flow separation is prevented on the inner surface of the outer diffuser (8). Further, an evaporation chamber of a steam turbine, or an evaporation chamber of a gas turbine comprises the diffuser arrangement.

Description

Beschreibungdescription
Diffusoranordnungdiffuser assembly
Die Erfindung betrifft eine Diffusoranordnung und insbesondere einen Abdampfraum einer Dampfturbine oder einen Abgasraum einer Gasturbine mit der Diffusoranordnung.The invention relates to a diffuser arrangement and more particularly to an exhaust steam room of a steam turbine or an exhaust gas space of a gas turbine with the diffuser arrangement.
Ein Diffusor ist ein von Fluid durchströmbarer Kanal, der bei ablösefreier Durchströmung durch Querschnittserweiterung das Fluid verzögert und gemäß dem Satz von Bernoulli den kinetischen Druck des Fluids zugunsten des statischen Drucks reduziert .A diffuser is a fluid-permeable channel which delays the fluid in a transfer-free flow through cross-sectional widening and according to Bernoulli's theorem reduces the kinetic pressure of the fluid in favor of the static pressure.
Die Qualität des Diffusors wird durch den Druckrückgewinnungskoeffizienten beschrieben, der mitThe quality of the diffuser is described by the pressure recovery coefficient associated with
Cp = ( Paus ~~ Pein ) / ( Ptotal , ein ~~ Pein )Cp = (Paus ~~ Pein) / (Ptotal, a ~~ Pein)
und dem Gesamt- bzw. Totaldruck Ptotai,em, dem statischen Druck Pein am Diffusoreintritt und dem statischen Druck paus am Dif- fusoraustritt definiert ist.and the total or total pressure P tota i, e m, the static pressure P e in at the diffuser inlet and the static pressure p out at the diffuser outlet.
Beispielsweise werden Diffusoren in Rohrleitungen zur Druckrückgewinnung oder zur stetigen Überbrückung von Querschnittserweiterungen (Übergangsdiffusor) verwendet. Bei Rohrleitungen mit kreisförmigem Querschnitt sind die Diffusoren axialsymmetrisch ausgebildet. In Fig. 4 ist ein Längs- schnitt eines axialsymmetrischen Diffusors 101 gezeigt und schematisch die darin typisch auftretende Strömung dargestellt. Der Diffusor 101 hat einen Eintrittsquerschnitt 102 und einen Austrittsquerschnitt 103, deren Flächenverhältnis größer eins ist. Stromauf des Diffusors 101 ist ein zylind- risches Zuströmrohr angeordnet, durch das eine Zuströmung 108 strömt, und stromab des Diffusors 101 ist ein zylindrisches Abströmrohr angeordnet, durch das eine Abströmung 109 strömt. Aufgrund der Haftung des Fluids an der Diffusorwand bildet sich in der wandnahen Strömung eine Grenzschicht aus. In der unteren Hälfte des in Fig. 4 gezeigten Diffusors 101 sind entlang der Hauptströmungsrichtung fünf charakteristische Ge- schwindigkeitsprofile 110 bis 114 gezeigt, wobei die ersten beiden Geschwindigkeitsprofile 110, 111 die wandnahe Strömung im Zuströmrohr und die stromauf folgenden drei Geschwindigkeitsprofile 112 bis 114 die wandnahe Strömung in dem Diffu- sor 101 zeigen.For example, diffusers are used in pipelines for pressure recovery or for continuous bridging of cross-sectional extensions (transitional diffuser). In pipelines with a circular cross section, the diffusers are formed axially symmetrical. FIG. 4 shows a longitudinal section of an axially symmetrical diffuser 101 and schematically illustrates the flow typically occurring therein. The diffuser 101 has an inlet cross section 102 and an outlet cross section 103, whose area ratio is greater than one. Upstream of the diffuser 101, a cylindrical inflow pipe is arranged, through which an inflow 108 flows, and downstream of the diffuser 101 a cylindrical outflow pipe is arranged, through which an outflow 109 flows. Due to the adhesion of the fluid to the diffuser wall, a boundary layer is formed in the near-wall flow. In the lower half of the diffuser 101 shown in FIG. 4, five characteristic velocity profiles 110 to 114 are shown along the main flow direction, where the first two velocity profiles 110, 111 are the near-wall flow in the inflow pipe and the upstream three velocity profiles 112 to 114 are close to the wall Flow in the diffuser 101 show.
Da die Strömung in dem Diffusor 101 verzögert wird, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der Hauptströmung in Strömungsrichtung ab, wodurch unter Erfüllung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik der statische Druck der Strömung in Strömungs- richtung entsprechend zunimmt. Gemäß der Prandtl' sehen Grenzschichttheorie ist der statische Druck in der Grenzschicht quer zur Strömungsrichtung konstant.Since the flow in the diffuser 101 is retarded, the flow velocity of the main flow decreases in the flow direction, whereby the static pressure of the flow in the flow direction increases correspondingly, while satisfying the first law of thermodynamics. According to Prandtl 's boundary layer theory, the static pressure in the boundary layer is constant across the flow direction.
Aufgrund der Verzögerungswirkung des Diffusors 101 und der Haftbedingung an der Diffusorwand nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der wandnahen Strömung ab. Nach Überwinden eines bestimmten Strömungswegs ist der Gradient der Strömungsgeschwindigkeit quer zur und an der Diffusorwand Null. Diese Stelle ist ein Ablösepunkt 105 der Strömung, der in dem Grenzschichtprofil 113 gezeigt ist.Due to the retarding effect of the diffuser 101 and the adhesive condition on the diffuser wall, the flow velocity of the near-wall flow decreases. After overcoming a certain flow path, the gradient of the flow velocity across and against the diffuser wall is zero. This location is a separation point 105 of the flow shown in the boundary layer profile 113.
Im Ablösepunkt 105 bewegt sich die Strömung von der Diffusorwand weg hin zur Mitte des Diffusors 101, wobei sich stromab des Ablösepunkts 105 in Wandnähe eine Rückströmung ausbildet, die eine Ablöseblase 106 formt. Die Ablöseblase 106 bewirkt eine Verengung des effektiv durchströmten Querschnitts des Diffusors 101, so dass die Hauptströmung im Bereich der Ablöseblase 106 beschleunigt wird. Dadurch erhöht sich in der Hauptströmung die kinetische Energie und die Strömung legt sich in dem Austrittsrohr an einem Wiederanlegepunkt 107 wieder an. Der Öffnungsgrad des in FIG 4 gezeigten Diffusors 101 bestimmt maßgeblich die Form und die Größe der Ablöseblase 106 und die Lage des Ablösepunkts 105 und des gegebenenfalls auftretenden Wiederanlegepunkts 107. Je höher der Öffnungsgrad des Diffusors 101 ist, umso weiter stromauf liegt der Ablösepunkt 105.At the separation point 105, the flow moves away from the diffuser wall toward the center of the diffuser 101, forming a return flow downstream of the separation point 105 near the wall forming a detachment bladder 106. The detachment bladder 106 causes a constriction of the effective cross-section of the diffuser 101, so that the main flow in the region of the detachment bladder 106 is accelerated. As a result, the kinetic energy increases in the main flow and the flow settles in the outlet pipe at a restart point 107 again. The degree of opening of the diffuser 101 shown in FIG. 4 decisively determines the shape and size of the peel-off bladder 106 and the location of the detachment point 105 and the optionally occurring reapplication point 107. The higher the degree of opening of the diffuser 101, the further upstream the detachment point 105 is.
Aufgrund der Verengung des effektiven Querschnitts des Diffusors 101 reduziert die Ablöseblase 106 die Druckrückgewin- nungswirkung des Diffusors 101 verglichen mit einem Diffusor, in dem die Strömung vollständig anliegt.Due to the narrowing of the effective cross section of the diffuser 101, the peel bladder 106 reduces the pressure recovery effect of the diffuser 101 compared to a diffuser in which the flow is fully applied.
Um eine laminare Grenzschichtströmung in einem Diffusor zu erzeugen, ist aus der Offenlegungsschrift DE 1 628 337 ein an einer Nabe sitzendes Schaufelrad bekannt, dessen von einemIn order to produce a laminar boundary layer flow in a diffuser, a paddle wheel seated on a hub is known from the published patent application DE 1 628 337, of which one of a
Diffusorblech umkleidete Blätter blattspitzseitig durch einen Ring verbunden sind. Auf dem Ring ist ein Kranz von Leitschaufeln angeordnet, derartig, dass diese die vom Schaufelrad abströmende Strahlströmung bei Aufrechterhaltung der vom Diffusorblech geführten Randströmung aufweitet. Neben den Leitschaufeln wird dies insbesondere dadurch erreicht, dass der Ring eine entsprechende Querschnittform aufweist, welche zudem den Verlauf der mitgerissenen Stromfäden begünstigt und diese mit höherer Geschwindigkeit ausbläst.Diffuser sheet coated leaves are connected blade-tip side by a ring. On the ring, a ring of vanes is arranged such that it widens the stream of air flowing from the blade wheel while maintaining the edge flow guided by the diffuser plate. In addition to the guide vanes this is achieved in particular by the fact that the ring has a corresponding cross-sectional shape, which also favors the course of the entrained stream threads and blows them out at a higher speed.
Ferner ist zur Vermeidung von Strömungsablösungen in einem Diffusor aus der JP 08 260905 ein zur Diffusorwand parallel angeordnetes Rohr bekannt, welches sich entlang der Strömungsrichtung erstreckt. Aufgrund des divergierenden Querschnitts des Diffusor und des dazu parallelen, korrespondierend divergierenden Rohres vergrößert sich der Strömungsquerschnitt des zwischen Diffusorwand und dem Rohr gebildeten Ringkanals, sodass das im Ringkanal strömende Medium verzögert wird.Furthermore, in order to avoid flow separations in a diffuser from JP 08 260905, a pipe arranged parallel to the diffuser wall is known, which extends along the flow direction. Due to the diverging cross section of the diffuser and the parallel, correspondingly diverging tube, the flow cross-section of the annular channel formed between the diffuser wall and the tube increases, so that the medium flowing in the annular channel is delayed.
Eine Dampfturbine oder eine Gasturbine wird bei Teil-, Grund und Überlast gefahren. Bei der Konstruktion und Auslegung der Dampf- oder Gasturbine können deren einzelne Komponenten bei- spielsweise hinsichtlich Wirkungsgrad oder aerodynamische bzw. thermodynamische Wirksamkeit nur in einem einzigen Betriebspunkt optimiert geometrisch ausgelegt werden. Dies hat zur Folge, dass in anderen Betriebspunkten, die nicht iden- tisch mit dem Auslegungsbetriebspunkt sind, die Komponenten nicht optimal arbeiten können.A steam turbine or a gas turbine is driven at partial, basic and overload. When designing and designing the steam or gas turbine, its individual components can be For example, be optimized in terms of efficiency or aerodynamic or thermodynamic efficiency optimized only in a single operating point geometrically. As a result, in other operating points that are not identical to the design operating point, the components can not operate optimally.
Dieser Umstand trifft auch für einen Abdampfraum der Dampfturbine oder einen Abgasraum der Gasturbine zu. Der Abdampf- räum oder der Abgasraum ist herkömmlich als ein Axialdiffusor ausgeführt .This situation also applies to an exhaust steam room of the steam turbine or an exhaust space of the gas turbine. The exhaust steam space or the exhaust gas space is conventionally designed as an axial diffuser.
In der Regel wird der Axialdiffusor hinsichtlich der Grundlast optimiert geometrisch ausgelegt, so dass bei Teil- und Überlast der Axialdiffusor nicht optimal betrieben werden kann .As a rule, the axial diffuser is optimally designed geometrically with regard to the base load so that the axial diffuser can not be optimally operated with partial and overload.
Am Eintritt des Axialdiffusors liegt bei optimalem Design ein niedrigerer statischer Druck als am Austritt vor. Durch die Absenkung des Drucks am Diffusoreintritt, der zugleich den Austritt der Beschaufelung darstellt, wird der letzte Laufschaufelkranz zu einer höheren Leistungsabgabe gebracht.At the entrance of the axial diffuser there is a lower static pressure than at the outlet with optimal design. By lowering the pressure at the diffuser inlet, which also represents the outlet of the blading, the last blade ring is brought to a higher power output.
Der Massenstrom der den Axialdiffusor durchströmenden Strö- mung ist im Teillastbereich kleiner als im Grundlastbereich, wodurch die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Axialdiffu- sor im Grundlastbereich höher ist als im Teillastbereich. Dadurch neigt die Strömung im Axialdiffusor im Teillastbereich stärker zur Ablösung als die Strömung, die bei Grund- last im Axialdiffusor auftritt.The mass flow of the flow flowing through the axial diffuser is smaller in the partial load range than in the base load range, as a result of which the mean flow velocity in the axial diffuser is higher in the base load range than in the partial load range. As a result, the flow in the axial diffuser in the partial load range is more prone to detachment than the flow which occurs at the base load in the axial diffuser.
Somit ist der Druckrückgewinn im Axialdiffusor bei Teillast verglichen mit der Druckrückgewinnung bei Grundlast geringer. Dies hat zur Folge, dass bei Teillast die Turbinenleistung erniedrigt ist, verglichen mit der Turbinenleistung beiThus, the pressure recovery in the axial diffuser at part load is lower compared to the pressure recovery at base load. This has the consequence that at partial load, the turbine power is reduced compared to the turbine power at
Grundlast. Der Einfluss einer Verbesserung im Druckrückgewinn eines Gasturbinendiffusors von cp=0,l wurde von Farohki zu 0,8% der abgegebenen Turbinenleistung abgeschätzt. Dieser Zu- sammenhang ist analog für axial abströmende Dampfturbinen zutreffend.Base load. The influence of an improvement in the pressure recovery of a gas turbine diffuser of c p = 0, l was estimated by Farohki to be 0.8% of the turbine output power. This The same applies to axial-flow steam turbines.
Abhilfe könnte hier eine Reduktion des Öffnungsgrads des Axi- aldiffusors schaffen, da dadurch die Strömung weniger stark verzögert wird und somit weniger stark zur Ablösung neigt. Jedoch verlängert sich dadurch die Baulänge des Axialdiffu- sors, wodurch sich die gesamte Baulänge der Dampf- bzw. Gasturbine nachteilig vergrößert.A remedy here could be to reduce the opening degree of the axial diffuser, as this slows down the flow less and thus tends less to detach. However, this lengthens the overall length of the axial diffuser, which adversely increases the overall length of the steam turbine or gas turbine.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Diffusoranordnung zu schaffen, deren Druckrückgewinnung hoch und deren Baulänge klein ist .The object of the invention is to provide a diffuser arrangement whose pressure recovery is high and whose overall length is small.
Die erfindungsgemäße Diffusoranordnung ist von Fluid durchströmbar und weist einen eine Innenoberfläche aufweisenden Außendiffusor und eine Strömungsbeschleunigungseinrichtung auf, die derart eingerichtet ist, dass wenigstens ein Teil der an der Innenoberfläche des Außendiffusors sich ausbilden- den Grenzschichtströmung in Hauptströmungsrichtung beschleunigbar ist, so dass eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche des Außendiffusors unterbunden ist.Fluid can flow through the diffuser arrangement according to the invention and has an outer diffuser having an inner surface and a flow acceleration device which is set up in such a way that at least part of the boundary layer flow forming on the inner surface of the outer diffuser can be accelerated in the main flow direction, so that a flow separation at the Inner surface of the outer diffuser is prevented.
Strömt das Fluid durch den Außendiffusor, so wird es in Hauptströmungsrichtung verzögert, wodurch die an der Innenoberfläche des Außendiffuors sich ausbildende Grenzschichtströmung prinzipiell zu einer Ablösung neigt. Die Ablösung würde von einem Ort ausgehen, an dem die kinetische Energie der Strömung Null ist.If the fluid flows through the outer diffuser, it is delayed in the main flow direction, whereby the boundary layer flow which forms on the inner surface of the outer diffuser tends in principle to detach. The detachment would come from a place where the kinetic energy of the flow is zero.
Mittels der erfindungsgemäßen Strömungsbeschleunigungsein- richtung wird wenigstens ein Teil der wandnahen Strömung beschleunigt, so dass die kinetische Energie der wandnahen Strömung erhöht ist. Dadurch ist es unterbunden, dass die kinetische Energie der wandnahen Strömung an keinem Ort Null ist, wodurch eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche des Außendiffusors unterbunden ist. Somit hat die Diffusoranordnung einen hohen Druckrückgewinn. Ferner kann der Außendiffusor der Diffusoranordnung einen großen Öffnungsgrad aufweisen, ohne dass in ihm eine Strömungsablösung auftritt. Dadurch hat der Außendiffusor und somit die Diffusoranordnung eine kleinere Baulänge.By means of the flow acceleration device according to the invention, at least part of the wall-near flow is accelerated, so that the kinetic energy of the wall-near flow is increased. Thereby, it is prevented that the kinetic energy of the near-wall flow is zero at any location, whereby a flow separation is prevented on the inner surface of the outer diffuser. Thus, the diffuser assembly has a high pressure recovery. Further, the outer diffuser of the diffuser assembly may have a large degree of opening without flow separation occurring therein. As a result, the outer diffuser and thus the diffuser arrangement has a smaller overall length.
Die Strömungsbeschleunigungseinrichtung weist eine Strömungsleiteinrichtung auf, die sich innerhalb des Außen- diffusors erstreckt und mit ihrer der Innenoberfläche des Außendiffusors zugewandten Außenoberfläche und einem Abschnitt der Innenoberfläche des Außendiffuors einen Düsenkanal ausbildet, durch den der Teil der Grenzschichtströmung strömbar ist.The flow acceleration device has a flow guide which extends inside the outer diffuser and with its outer surface facing the inner surface of the outer diffuser and a section of the inner surface of the outer diffuser forms a nozzle channel through which the part of the boundary layer flow can flow.
Somit wird die Strömungsbeschleunigungseinrichtung von dem Düsenkanal gebildet, der von der Strömungsleiteinrichtung unter Zusammenwirken mit der Innenwand des Außendiffusors definiert ist. Dadurch wird erreicht, dass unmittelbar an der Innenoberfläche des Außendiffusors die wandnahe Strömung, d.h. gerade der Strömungsanteil mit sonst niedriger kinetischer Energie, beschleunigt wird. Dadurch wird effektiv eine Ablösung in der Diffusoranordnung unterbunden.Thus, the flow accelerating means is constituted by the nozzle passage defined by the flow guide in cooperation with the inner wall of the outer diffuser. It is thereby achieved that immediately adjacent to the inner surface of the outer diffuser the wall-near flow, i. just the flow rate with otherwise low kinetic energy, is accelerated. This effectively prevents separation in the diffuser arrangement.
Es ist bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung mit ihrer der Außenoberfläche abgewandten Innenoberfläche einen Innen- diffusor ausbildet, durch den die Fluidströmung strömbar und dabei in Hauptströmungsrichtung verzögerbar ist.It is preferred that the flow guiding device, with its inner surface facing away from the outer surface, form an inner diffuser, through which the fluid flow can be flowed and thereby retarded in the main flow direction.
Somit hat neben der Düsenwirkung im Außenbereich die Strö- mungsleiteinrichtung auch eine Diffusorwirkung im Innenbereich, so dass die Strömung durch die Diffusoranordung stark verzögert wird. Dadurch wird erreicht, dass die Druckrückgewinnung der erfindungsgemäßen Diffusoranordnung hoch ist.Thus, in addition to the nozzle effect in the outer region, the flow guiding device also has a diffuser effect in the inner region, so that the flow through the diffuser arrangement is greatly delayed. This ensures that the pressure recovery of the diffuser assembly according to the invention is high.
Ferner ist bevorzugt, dass die Erstreckung der Strömungsleiteinrichtung in Hauptströmungsrichtung im Bereich von 5 % bis 40 % der Erstreckung in Hauptströmungsrichtung des Außendif- fusors liegt. Dadurch ist die Strömungsleiteinrichtung vollständig innerhalb des Außendiffusors angeordnet und kann genau an jenem Bereich an der Innenwand des Außendiffusors platziert werden, an dem eine Ablösung der Fluidströmung zu erwarten ist. Somit kann die Strömungsleiteinrichtung gezielt an einen ablösegefährdeten Bereich angeordnet werden, wodurch eine effektive Unterbindung von Strömungsablösung erzielt ist und dennoch die Störung der Hauptströmung durch die Strömungsleiteinrich- tung gering ist.It is further preferred that the extent of the flow guide in the main flow direction is in the range of 5% to 40% of the extent in the main flow direction of the outer end fender. As a result, the flow-guiding device is arranged completely within the outer diffuser and can be placed exactly at that region on the inner wall of the outer diffuser, at which a detachment of the fluid flow is to be expected. Thus, the flow-directing device can be arranged in a targeted manner to a detachment-prone area, whereby an effective prevention of flow separation is achieved and yet the disturbance of the main flow through the flow-guiding device is low.
Es ist bevorzugt, dass der Außendiffusor und die Strömungsleiteinrichtung axialsymmetrisch ausgebildet sind und um eine gemeinsame Symmetrieachse konzentrisch angeordnet sind.It is preferred that the outer diffuser and the flow guide are formed axially symmetrical and are arranged concentrically about a common axis of symmetry.
Ferner ist bevorzugt, dass der Düsenkanal als ein Ringkanal ausgebildet ist.Furthermore, it is preferred that the nozzle channel is formed as an annular channel.
Hieraus ergibt sich die Diffusoranordnung vorteilhaft als eine Anordnung von mehreren Diffusoren und einer Düse. Diese Anordnung ist gebildet von einer Hintereinanderschaltung von den drei Diffusoren, nämlich den Bereich des Außendiffusors stromauf der Strömungsleiteinrichtung, den Innendiffusor der Strömungsleiteinrichtung und den Bereich des Außendiffusors stromab der Strömungsleiteinrichtung, und einer Parallelschaltung des Düsenkanals mit dem Innendiffusor der Strömungsleiteinrichtung. Dadurch ist eine kompakte, einfache und effektiv wirkende Unterteilung des Außendiffusors erreicht, wobei die Diffusoranordnung eine kompakte Bauweise hat.As a result, the diffuser assembly advantageously results as an array of multiple diffusers and a nozzle. This arrangement is formed by a series connection of the three diffusers, namely the area of the outer diffuser upstream of the flow guide, the inner diffuser of the flow guide and the area of the outer diffuser downstream of the flow guide, and a parallel connection of the nozzle channel with the inner diffuser of the flow guide. As a result, a compact, simple and effectively acting subdivision of the outer diffuser is achieved, wherein the diffuser arrangement has a compact design.
Bevorzugt ist die Strömungsleiteinrichtung als ein gerades Leitblech ausgebildet.Preferably, the flow guide is designed as a straight baffle.
Dadurch ist vorteilhaft das Leitblech kostengünstig herstell- bar.As a result, the guide plate is advantageously producible at low cost.
Alternativ dazu ist es bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung aerodynamisch profiliert ist. Dadurch hat die Strömungsleiteinrichtung einen niedrigen Strömungswiderstand.Alternatively, it is preferred that the flow guide is aerodynamically profiled. As a result, the flow guide has a low flow resistance.
Ferner ist bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung im Bereich von 80 % bis 100 % der Kanalhöhe (Radius) des Außen- diffusors angeordnet ist.Furthermore, it is preferred that the flow-guiding device is arranged in the range from 80% to 100% of the channel height (radius) of the outer diffuser.
Dadurch ist vorteilhaft die Strömungsleiteinrichtung in der wandnahen Strömung wirksam und dadurch aerodynamisch effektiv platziert .As a result, the flow-guiding device is advantageously effective in the near-wall flow and thereby placed aerodynamically effective.
Ferner ist die Strömungsleiteinrichtung bevorzugt im Bereich des Eintrittsquerschnitts des Außendiffusors angeordnet.Furthermore, the flow-guiding device is preferably arranged in the region of the inlet cross-section of the outer diffuser.
Dadurch ist es vorteilhaft ermöglicht, dass die Eintrittsströmung in den Außendiffusor von der Strömungsleiteinrichtung bereits im Grenzschichtbereich eine beschleunigte Strömung aufweist, die im Verlauf entlang der Innenoberfläche des Außendiffusors somit nicht zur Ablösung neigt.As a result, it is advantageously possible for the inlet flow into the outer diffuser of the flow guiding device to already have an accelerated flow in the boundary layer region, which thus does not tend to detach in the course along the inner surface of the outer diffuser.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Strömungsleiteinrichtung relativ zur Hauptströmung verschwenkbar gelagert ist.Furthermore, it is preferred that the flow-guiding device is mounted pivotably relative to the main flow.
Damit wird vorteilhaft erreicht, dass die Strömungsleiteinrichtung bezogen auf die jeweiligen Strömungsverhältnisse innerhalb des Außendiffusors individuell durch Verschwenken derart verstellt werden kann, dass die Strömungsleiteinrichtung aerodynamisch effektiv ist.This advantageously achieves that the flow guide can be adjusted individually by pivoting relative to the respective flow conditions within the outer diffuser such that the flow guide is aerodynamically effective.
Bevorzugt weist ein Abdampfraum einer Dampfturbine bzw. ein Abgasraum einer Gasturbine die erfindungsgemäße Diffusor- anordnung auf.An exhaust steam space of a steam turbine or an exhaust space of a gas turbine preferably has the diffuser arrangement according to the invention.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Strömungsbeschleunigungs- einrichtung an der Innenoberfläche des Außendiffusors im Bereich seines Eintritts angeordnet ist. Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Diffusoranordnung an Hand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:Furthermore, it is preferred that the flow acceleration device is arranged on the inner surface of the outer diffuser in the region of its inlet. In the following, preferred embodiments of a diffuser arrangement according to the invention will be explained with reference to the attached schematic drawings. It shows:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Diffusoranordnung,1 shows a longitudinal section through a first embodiment of the diffuser arrangement,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Diffusoranordnung,2 shows a longitudinal section through a second embodiment of the diffuser arrangement,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Diffusoranordnung undFig. 3 is a longitudinal section through a third embodiment of the diffuser assembly and
Fig. 4 einen Längsschnitt eines Diffusors mit schemati- scher Darstellung der Strömungsverhältnisse.4 shows a longitudinal section of a diffuser with a schematic representation of the flow conditions.
Wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist eine Diffusoranordnung 1 einen Außendiffusor 2 auf, der um seine Symmetrieachse 3 rotationssymmetrisch ausgebildet ist. In einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 liegt ein Eintrittsquerschnitt 4 des Außendiffusors 2, durch den eine Zuströmung 5 in den Außendiffusor 2 einströmt, und in einer anderen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 des Außendiffusors 2 liegt sein Austrittsquerschnitt 6, aus dem eine Abströmung 7 aus demAs can be seen from FIG. 1, a diffuser arrangement 1 has an outer diffuser 2, which is designed to be rotationally symmetrical about its axis of symmetry 3. In a plane perpendicular to the axis of symmetry 3 is an inlet cross-section 4 of the outer diffuser 2, through which an inflow 5 flows into the outer diffuser 2, and in another plane perpendicular to the symmetry axis 3 of the outer diffuser 2 is its outlet cross-section 6, from which an outflow 7 from the
Außendiffusor 2 austritt. Den Innenraum des Außendiffusors 2 begrenzend weist dieser eine Innenoberfläche 8 auf.Outside diffuser 2 emerges. Limiting the interior of the outer diffuser 2, this has an inner surface 8.
Der Außendiffusor 2 ist als gerader Diffusor ausgebildet, d.h. die Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 bildet einen Kegelstumpf, wobei die Querschnittsfläche am Eintrittsquerschnitt 4 kleiner ist als die Querschnittsfläche am Austrittsquerschnitt 6.The outer diffuser 2 is designed as a straight diffuser, i. the inner surface 8 of the outer diffuser 2 forms a truncated cone, the cross-sectional area at the inlet cross-section 4 being smaller than the cross-sectional area at the outlet cross-section 6.
Im Inneren des Außendiffusors 2 ist eine Strömungsleiteinrichtung 9 angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung 9 ist als ein im Längsschnitt längliches Leitblech ausgebildet, das rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 3 des Außendiffusors 2 angeordnet konzentrisch mit demInside the outer diffuser 2, a flow guide 9 is arranged. The flow guide 9 is formed as an elongated in longitudinal section guide plate, which is rotationally symmetrical about the axis of symmetry of the 3 Exterior diffuser 2 arranged concentric with the
Außendiffusor 2 einen kegelstumpfförmigen Ringkanal begrenzt, welcher sich in Strömungsrichtung verjüngt.Outer diffuser 2 limits a frusto-conical annular channel, which tapers in the flow direction.
Die Strömungsleiteinrichtung 9 weist an ihrem Außenumfang eine Außenoberfläche 10 auf, die bezogen auf die Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 derart geneigt ist, dass der Ringraumquerschnitt in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3, der zwischen der Strömungsleiteinrichtung 9 und dem Außendiffusor 2 ausgebildet ist, in Strömungsrichtung sich verkleinert .The flow guide 9 has on its outer periphery an outer surface 10 which is inclined relative to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 such that the annular space cross-section in a plane perpendicular to the symmetry axis 3, which is formed between the flow guide 9 and the outer diffuser 2, in the flow direction downsized.
D.h., die Außenoberfläche 10 der Strömungsleiteinrichtung 9 wirkt mit einem ihr gegenüberliegenden Abschnitt der Innen- Oberfläche 8 des Außendiffusors 8 derart zusammen, dass der Ringkanal, der zwischen der Strömungsleiteinrichtung 9 und dem Außendiffusor 2 liegt, einen Düsenkanal 11 bildet. Somit ist der Abschnitt der Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2, der der Außenoberfläche 10 der Strömungsleiteinrichtung 9 zu- gewandt ist, eine Innenoberfläche 12 des Düsenkanals 11.That is, the outer surface 10 of the flow guide 9 cooperates with an opposite portion of the inner surface 8 of the outer diffuser 8 such that the annular channel which lies between the flow guide 9 and the outer diffuser 2, a nozzle channel 11 is formed. Thus, the portion of the inner surface 8 of the outer diffuser 2, which faces the outer surface 10 of the flow guiding device 9, is an inner surface 12 of the nozzle channel 11.
Stromauf wird die Strömungsleiteinrichtung 9 von ihrer Vorderkante 13 und stromab von ihrer Hinterkante 14 begrenzt. Im Bereich von der Vorderkante 13 der Strömungsleiteinrichtung 9 bis zur Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 befindet sich ein Eintrittsquerschnitt 15 des Düsenkanals 11 und im Bereich der Hinterkante 14 der Strömungsleiteinrichtung 9 bis zur Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 befindet sich der Austrittsquerschnitt 16 des Düsenkanals 11, wobei die Quer- schnittsfläche des Eintrittsquerschnitts 15 größer ist als die Querschnittsfläche des Austrittsquerschnitts 16.Upstream, the flow guide 9 is bounded by its front edge 13 and downstream of its trailing edge 14. In the region of the front edge 13 of the flow guide 9 to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is an inlet cross section 15 of the nozzle channel 11 and in the region of the trailing edge 14 of the flow guide 9 to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is the outlet cross section 16 of the nozzle channel 11, wherein the cross-sectional area of the inlet cross-section 15 is greater than the cross-sectional area of the outlet cross-section 16.
Der Außenoberfläche 10 der Strömungsleiteinrichtung 9 abgewandt weist diese eine Innenoberfläche 17 auf, die einen Innendiffusor 18 bildet. Die Vorderkante 13 der Strömungsleiteinrichtung 9 ist in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 angeordnet und bildet einen Eintrittsquerschnitt 19 des Innendiffusors 18 und die Hinterkante 14 der Strömungs- leiteinrichtung 9 ist in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 3 angeordnet und bildet einen Austrittsquerschnitt 20 des Innendiffusors 18, wobei der Eintrittsquerschnitt 19 kleiner ist als der Austrittsquerschnitt 20 ist.Facing away from the outer surface 10 of the flow-guiding device 9, this has an inner surface 17 which forms an inner diffuser 18. The front edge 13 of the flow guide 9 is arranged in a plane perpendicular to the symmetry axis 3 and forms an inlet cross section 19 of the inner diffuser 18 and the trailing edge 14 of the flow Conducting device 9 is arranged in a plane perpendicular to the symmetry axis 3 and forms an outlet cross section 20 of the inner diffuser 18, wherein the inlet cross section 19 is smaller than the outlet cross section 20.
Aus Fig.2 ist die aerodynamische Wirksamkeit der Strömungsleiteinrichtung 9 ersichtlich. Gemäß Fig. 2 ist die Strömungsleiteinrichtung 9 als ein profiliertes Ringleitblech ausgebildet .From Figure 2, the aerodynamic efficiency of the flow guide 9 can be seen. According to Fig. 2, the flow guide 9 is formed as a profiled annular guide plate.
Zur Darstellung der Strömungsverhältnisse in der Diffusor- anordnung 1 sind in Fig. 2 Stromlinien 21 im Bereich der Strömungsleiteinrichtung 9 eingezeichnet und ein Geschwindigkeitsprofil 22 stromauf der Strömungsleiteinrichtung 9, ein Geschwindigkeitsprofil 23 an der Hinterkante 14 der Strömungsleiteinrichtung 9 sowie ein Geschwindigkeitsprofil 24 stromab der Strömungsleiteinrichtung 9 gezeigt.2 shows flow lines 21 in the region of the flow-guiding device 9 and a velocity profile 22 upstream of the flow-guiding device 9, a velocity profile 23 at the trailing edge 14 of the flow-guiding device 9 and a velocity profile 24 downstream of the flow-guiding device 9 shown.
Die Stromlinien 21 weisen in Hauptströmungsrichtung einen konvergierenden Verlauf auf, wodurch die Strömungsbeschleunigung hervorgerufen durch die Strömungsleiteinrichtung 9 anzeigt ist. Der wandnormale Geschwindigkeitsgradient an der Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 ist bei dem Geschwindigkeitsprofil stromauf 22 der Strömungsleiteinrichtung 9 flacher als bei dem Geschwindigkeitsprofil 23 an der Hinterkante 14 der Strömungsleiteinrichtung 9, das flacher ist als der wandnormale Geschwindigkeitsgradient des Geschwindigkeitsprofils 24 stromab der Strömungseinrichtung 9.The streamlines 21 have a convergent course in the main flow direction, as a result of which the flow acceleration caused by the flow-guiding device 9 is indicated. The wall normal velocity gradient on the inner surface 8 of the outer diffuser 2 is flatter at the velocity profile upstream of the flow guide 9 than at the velocity profile 23 at the trailing edge 14 of the flow guide 9, which is shallower than the wall normal velocity gradient of the velocity profile 24 downstream of the flow device 9.
Dadurch ist gezeigt, dass die Strömung, die von der Strömungsleiteinrichtung 9 durch den Düsenkanal 11 geleitet wird, beschleunigt (energetisiert) wird. Somit erhöht die Strömungsleiteinrichtung 9 lokal die Geschwindigkeit der Strömung in der Nähe der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2. Dabei wird energiereiches Strömungsmaterial aus der Kernströmung in Richtung zur Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 gelenkt und somit der Grenzschicht an der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 zugeführt. In Folge dieser Energetisie- rung kann die Grenzschicht an der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 größere positive Druckgradienten in Hauptströmungsrichtung überwinden ohne dabei von der Innenoberfläche 12 des Außendiffusors 2 abzulösen.As a result, it is shown that the flow which is conducted by the flow-guiding device 9 through the nozzle channel 11 is accelerated (energized). Thus, the flow guide 9 locally increases the velocity of the flow in the vicinity of the inner surface 12 of the outer diffuser 2. In this case, high-energy flow material from the core flow is directed toward the inner surface 12 of the outer diffuser 2 and thus the boundary layer on the inner surface 12 of the outer diffuser 2 supplied. As a result of this energy tion can overcome the boundary layer on the inner surface 12 of the outer diffuser 2 larger positive pressure gradient in the main flow direction without detaching from the inner surface 12 of the outer diffuser 2.
Dadurch reagiert der Außendiffusor 2 gutmütiger gegen frühzeitige Ablöseerscheinungen. Somit wird durch Vorsehen der Strömungsleiteinrichtung 9 in dem Außendiffusor 2 ein hoher Druckrückgewinn des Außendiffusors 2 erzielt.As a result, the outer diffuser 2 reacts more benignly against premature detachment. Thus, by providing the flow guide 9 in the outer diffuser 2, a high pressure recovery of the outer diffuser 2 is achieved.
Fig. 3 zeigt einen Abgasraum einer Gasturbine, der als der Außendiffusor 2 ausgebildet ist. Der Außendiffusor 2 ist stromab eines Turbinenrotors 25 angeordnet und führt die von dem Turbinenrotor 25 austretende Abströmung von dem Ein- trittsquerschnitt 4 des Außendiffusors 2 zu dem Austrittsquerschnitt 6 des Außendiffusors 2 unter Druckrückgewinnung fort.FIG. 3 shows an exhaust gas space of a gas turbine, which is designed as the outer diffuser 2. The outer diffuser 2 is arranged downstream of a turbine rotor 25 and continues the outflow emerging from the turbine rotor 25 from the inlet cross section 4 of the outer diffuser 2 to the outlet cross section 6 of the outer diffuser 2 under pressure recovery.
Der Turbinenrotor 25 weist eine Turbinenrotornabe 26 auf, die von einer zylindrischen Außendiffusornabe 27 mit der Turbinenrotornabe 26 weitergeführt ist.The turbine rotor 25 has a turbine rotor hub 26, which is continued by a cylindrical Außenendiffusornabe 27 with the turbine rotor hub 26.
Der Turbinenrotor 25 weist eine Vielzahl von Turbinenrotor- schaufeln 28 auf, die an ihren radialen Außenenden eine Schaufelspitze 29 aufweisen. Der Turbinenrotor 25 ist von einem Turbinengehäuse 30 ummantelt. Im Betrieb des Turbinenrotors 25 dreht sich dieser um seine Rotationsachse (nicht gezeigt), während das Turbinengehäuse 30 ortsfest bleibt. Daher ist zwischen der Turbinenrotorschaufelspitze 29 und dem Turbinengehäuse 30 ein Spalt 31 vorgesehen, damit die Turbinenrotorschaufelspitze 29 im Betrieb des Turbinenrotors 25 nicht an das Turbinengehäuse 30 anstreift.The turbine rotor 25 has a multiplicity of turbine rotor blades 28 which have a blade tip 29 at their radial outer ends. The turbine rotor 25 is surrounded by a turbine housing 30. In operation, the turbine rotor 25 rotates about its axis of rotation (not shown) while the turbine housing 30 remains stationary. Therefore, a gap 31 is provided between the turbine rotor blade tip 29 and the turbine housing 30 so that the turbine rotor blade tip 29 does not touch the turbine housing 30 during operation of the turbine rotor 25.
Um das Anstreifen der Laufschaufeln am Turbinengehäuse 30 und damit Schäden zu vermeiden, ist ein Mindestabstand als Spalt 31, das sogenannte Spiel, zwischen Rotorschaufel 28 und Gehäuse 30 notwendig. Durch diesen Spalt kann ein Teil des Massenstromes ohne Leistungsabgabe an die Rotorschaufel 28 durchströmen und führt zu einer Energetisierung der Grenzschicht. In Abhängigkeit von der Gestaltung dieses Spalts 31 mit oder ohne Abdichtung kann mehr oder weniger Massenstrom durchströmen. Um eine nachfolgende Ablösung der Strömung im Diffusor zu vermeiden bzw. stark zu verzögern, ist eine weitere Energetisierung der Grenzschicht durch die Strömungsleiteinrichtung 9 erwünscht.In order to avoid scratching of the blades on the turbine housing 30 and thus damage, a minimum distance as a gap 31, the so-called game between rotor blade 28 and housing 30 is necessary. Through this gap, a part of the mass flow without power output to the rotor blade 28th flow through and leads to an energization of the boundary layer. Depending on the design of this gap 31 with or without sealing, more or less mass flow can flow through. In order to avoid or greatly delay a subsequent detachment of the flow in the diffuser, further energization of the boundary layer by the flow-guiding device 9 is desired.
Gemäß Fig. 3 ist durch Anordnen der Strömungsleiteinrichtung 9 nahe der Innenoberfläche 8 des Außendiffusors 2 im Bereich des Eintrittsquerschnitts des Außendiffusors 4 Abhilfe geschaffen. Die von der Leckageströmung gestörte Grenzschicht wird von der Strömungsleiteinrichtung 9 an der Innenoberfläche des Außendiffusors 8 in Hauptströmungsrichtung beschleu- nigt, so dass die kinetische Energie in diesem Strömungsbereich erhöht ist. Dadurch wird erreicht, dass die Strömung in dem Außendiffusor 2 an der Innenoberfläche 8 des Außendiffu- sors 2 nicht ablöst. Somit sind die Strömungsverluste in dem Außendiffusor 2 niedrig und der Druckgewinn des Außendiffu- sors 2 ist hoch. According to FIG. 3, by arranging the flow guiding device 9 close to the inner surface 8 of the outer diffuser 2 in the region of the inlet cross section of the outer diffuser 4, a remedy is provided. The boundary layer disturbed by the leakage flow is accelerated by the flow guiding device 9 on the inner surface of the outer diffuser 8 in the main flow direction, so that the kinetic energy in this flow region is increased. This ensures that the flow in the outer diffuser 2 does not detach on the inner surface 8 of the outer diffuser 2. Thus, the flow losses in the outer diffuser 2 are low and the pressure gain of the outer diffuser 2 is high.

Claims

Patentansprüche claims
1. Von Fluid durchströmbare Diffusoranordnung (1) mit einem eine Innenoberfläche aufweisenden Außendiffusor (2) und einer eine Strömungsleiteinrichtung (9) aufweisenden Strömungsbeschleunigungseinrichtung, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) sich innerhalb des Außendiffusors (2) erstreckt und mit ihrer der Innenober- fläche (8) des Außendiffusors (2) zugewandten Außenoberfläche (10) und einem Abschnitt der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) einen Düsenkanal (11) ausbildet, wodurch wenigstens ein Teil der an der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) sich ausbildenden Grenzschichtströmung in Hauptströmungsrichtung beschleunigbar ist, so dass eine Strömungsablösung an der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) unterbunden ist.1. A fluid-flowable diffuser arrangement (1) having an inner surface having an outer diffuser (2) and a Strömungsleiteinrichtung (9) having Strömungsbeschleunigungseinrichtung, the Strömungsleiteinrichtung (9) extends within the outer diffuser (2) and with its the inner surface ( 8) of the outer diffuser (2) facing outer surface (10) and a portion of the inner surface (8) of the outer diffuser (2) forms a nozzle channel (11), whereby at least a part of the inner surface (8) of the outer diffuser (2) are formed Boundary layer flow in the main flow direction can be accelerated, so that a flow separation on the inner surface (8) of the outer diffuser (2) is prevented.
2. Diffusoranordnung (1) gemäß Anspruch 1, bei der die Strömungsleiteinrichtung (9) eine vom Fluid anströmbare Vorderkante (13) und eine dieser gegenüberliegende Hinterkante (14) aufweist, an der das Fluid abströmbar ist, und wobei zwischen der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) und der Vorderkante (13) der Strömungsleiteinrichtung (9) sich ein Eintrittsquerschnitt (15) befindet und zwischen der Innenoberfläche (8) des Außendiffusors (2) und der Hinterkante (14) der Strömungsleiteinrichtung (9) sich ein Austrittsquerschnitt (16) befindet, wobei die Querschnittsfläche des Eintrittsquerschnitt (13) größer ist als die Querschnittsfläche des Austrittsquerschnitt (16).2. Diffuser assembly (1) according to claim 1, wherein the flow guide (9) has a fluid vorströmmbare front edge (13) and one of these opposite trailing edge (14), at which the fluid can be flowed off, and wherein between the inner surface (8). the outer diffuser (2) and the front edge (13) of the flow-guiding device (9) has an inlet cross-section (15) and an outlet cross-section (8) between the inner surface (8) of the outer diffuser (2) and the trailing edge (14) of the flow-guiding device (9) 16), wherein the cross-sectional area of the inlet cross-section (13) is greater than the cross-sectional area of the outlet cross-section (16).
3. Diffusoranordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) mit ihrer ihrer3. diffuser assembly (1) according to claim 1 or 2, wherein the flow-guiding device (9) with their their
Außenoberfläche (10) abgewandten Innenoberfläche (17) einen Innendiffusor (18) ausbildet, durch den die Fluidströmung strömbar und dabei in Hauptströmungsrichtung verzögerbar ist .Outside surface (10) facing away from inner surface (17) forms an inner diffuser (18), through which the fluid flow flowable and can be delayed in the main flow direction.
4. Diffusoranordnung (1) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in Hauptströmungsrichtung die Erstreckung der Strömungsleiteinrichtung (9) im Bereich von 5% bis 40% der Erstreckung des Außendiffusors (2) liegt.4. diffuser assembly (1) according to claim 1, 2 or 3, wherein in the main flow direction, the extension of the flow guide (9) in the range of 5% to 40% of the extent of the outer diffuser (2).
5. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Außendiffusor (2) und die Strömungsleiteinrichtung (9) axialsymmetrisch ausgebildet sind und um eine gemeinsame Symmetrieachse (3) konzentrisch angeordnet sind.5. diffuser assembly (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the outer diffuser (2) and the flow guide (9) are formed axially symmetrical and about a common axis of symmetry (3) are arranged concentrically.
6. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Düsenkanal (11) als ein Ringkanal ausgebildet ist .6. Diffuser arrangement (1) according to one of claims 1 to 5, wherein the nozzle channel (11) is designed as an annular channel.
7. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) als ein gerades, im Längsschnitt längliches Leitblech ausgebildet oder aerodynamisch profiliert ist.7. diffuser assembly (1) according to one of claims 1 to 6, wherein the flow guide (9) is formed as a straight, elongated in longitudinal section baffle or aerodynamically profiled.
8. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) im Bereich von 80% bis 100% der Kanalhöhe des Außendiffusors (2) angeordnet ist .8. diffuser assembly (1) according to one of claims 1 to 7, wherein the flow guide (9) in the range of 80% to 100% of the channel height of the outer diffuser (2) is arranged.
9. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) im Bereich des Ein- trittsquerschnitts (4) des Außendiffusors (2) angeordnet ist .9. diffuser arrangement (1) according to one of claims 1 to 8, wherein the flow-guiding device (9) in the region of the inlet cross-section (4) of the outer diffuser (2) is arranged.
10. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der Außendiffusor (2) als im Wesentlichen gerader Diffusor ausgebildet ist. 10. diffuser assembly (1) according to one of claims 1 to 9, wherein the outer diffuser (2) is designed as a substantially straight diffuser.
11. Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Strömungsleiteinrichtung (9) relativ zur Hauptströmungsrichtung verschwenkbar gelagert ist.11. diffuser assembly (1) according to one of claims 1 to 10, wherein the flow guide (9) is mounted pivotably relative to the main flow direction.
12. Abdampfräum einer Dampfturbine, mit einer Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.12. Abdampfräum a steam turbine, with a diffuser assembly (1) according to any one of claims 1 to 11.
13. Abgasraum einer Gasturbine, mit einer Diffusoranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11. 13. exhaust gas space of a gas turbine, with a diffuser arrangement (1) according to one of claims 1 to 11.
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